熏蒸辅助两步气相法制备钙钛矿薄膜及太阳能电池

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钙钛矿太阳能电池(PSC)经过十几年的发展,效率已经从最初的3.9%提升至25%以上。但是目前大多数高效率器件都是通过溶液旋涂法制备的,而溶液旋涂法无法在复杂弯曲衬底上制备器件。相对而言,气相法基本不受衬底的限制。气相法主要分为一步气相沉积法和两步气相沉积法。两步气相沉积法制备钙钛矿的最大难题是碘甲铵(MAI)在PbI2中不易扩散。本文拟解决的问题包括非旋涂法制备空穴传输层(HTL)以及促进MAI在致密的PbI2中扩散。具体如下:反式PSC中作为窗口层的HTL通常由溶液旋涂法制备,无法在曲面上完整成膜。本文采用气相法及浸泡法制备了HTLs。其中,MeO-2PACz能够与MAPbI3能级匹配,器件开路电压(VOC)也从其它HTL的普遍低于1.0 V提高至1.06 V。最后我们采用浸泡法制备了MeO-2PACz并将其作为反式器件的HTL,可以取得超过1.0 V的VOC和超过18%的光电转换效率。为了促进MAI在PbI2中的扩散,本文采取了光照辅助、优化PbI2的蒸镀条件、优化MAI的喷涂条件以及使用溶剂处理PbI2表面等方法。结果表明与未处理的PbI2相比,使用1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)预处理PbI2后反应得到的钙钛矿几乎没有残留PbI2,并且钙钛矿结晶性好。最终取得了19%的光电转换效率,并且稳定性得到提高。在白光照射28天后,器件保持了初始效率的93%。之后,本文对熏蒸辅助气相法的机理进行了研究,发现DMI可以促进MAI的扩散,使制备的钙钛矿薄膜的晶粒纵向贯穿,无界面空洞。掠入射广角X-射线散射(GIWAXS)分析进一步表明,熏蒸辅助两步气相法制备的钙钛矿含有较少的PbI2,结晶没有明显的取向性,有利于载流子的自由传输。瞬态荧光共聚焦显微镜和深能级缺陷谱(DLTS)测试发现该方法制备的钙钛矿薄膜的荧光寿命长且缺陷少,因此器件效率高,稳定性好。最后,为了验证该方法是否能够进行曲面共形制备,我们在铜铟镓硒(CIGS)器件表面成功制备了与原表面共形且晶粒贯穿的钙钛矿薄膜。最终,我们在曲率半径为2.5 cm的曲型衬底上制备了钙钛矿器件,效率8.93%。本文为制备叠层器件、弯曲形状钙钛矿器件提供了一种可行的制备工艺方法。
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